Intel 4004
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| Intel 4004 Central processing unit |
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 Il primo processore Intel, il 4004 |
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| Prodotto: | Da fine 1971 al 1974 |
| Manufacturer: | Intel |
| Frequenza CPU: | 740 kHz |
| Set di istruzioni: | pre x86 |
| Socket: | 16 pin |
L’Intel 4004 è considerato il primo microprocessore su singolo chip. Il 4004 era unaCPU (central processing unit) completa, gli altri componenti della famiglia MCS-4 erano memorie e circuiti di input/output che non fanno parte del CPU in nessuna classificazione di computer, ma che sono necessari per realizzare un computer completo.
Precisamente, il 4001 era una ROM (read-only memory) con 4 linee di I/O (ingresso/uscita); il 4002 era una RAM (random access memory) con 4 linee di output e il 4003 era uno shift register statico da usare per espandere le linee di I/O (per esempio, per fare la scansione di una tastiera o per controllare una stampante).
Gli elementi funzionali integrati nel 4004 erano: 16 registri general purpose; program counter e tre livelli di stack; ALU binaria e decimale; decodifica di istruzioni e tutto il controllo per gli elementi funzionali interni del CPU; generazione dei segnali di temporizzazione sia per il CPU che per il resto del sistema MCS-4; e controllo del bus esterno per le memorie e per la funzione di I/O.
A differenza dei microprocessori contemporanei, il 4004 includeva anche il controllo dei bus di memoria e di I/O che non sono normalmente gestiti dal microprocessore. Pertanto il 4004 non solo era una CPU completa, ma aveva anche funzionalità addizionali che normalmente non sono considerate compito della CPU.
Federico Faggin ha detto: “l’essenza del primo microprocessore è il suo design in silicio” perché ai tempi dell’invenzione del microprocessore molti ingegneri sapevano come definire architetture di CPU e fare progetti logici, ma nessuno prima dell’Intel 4004 era ancora riuscito a realizzare un microprocessore monolitico in silicio.[1]. Fu proprio la nuova tecnologia MOS Silicon Gate, con porta auto-allineante (“self-aligned gate”) creata da Faggin alla Fairchild nel 1968, adottata poi dalla Intel per fare memorie, che rese possibile realizzare il 4004, il primo CPU su un singolo chip. Tale tecnologia con l’aggiunta di nuove tecniche circuitali ed una nuova metodologia di progetto, tutte invenzioni di Faggin, rese possibile realizzare chip con una frequenza di clock circa 5 volte superiore alla tecnologia precedente, usando metà dell’area di silicio richiesta dalla vecchia tecnologia. Senza queste innovazioni non sarebbe stato possibile realizzare il primo microprocessore nel 1971 (che altrimenti sarebbe stato troppo lento e costoso per essere utile).
A metà del 1969 un gruppo di ingegneri della ditta giapponese Busicom, fra cui Masatoshi Shima, venne in California a visitare la Intel che allora era una “startup”, cioè una ditta da poco avviata. Il loro obiettivo era di negoziare lo sviluppo di sette circuiti integrati necessari per realizzare il loro progetto per una serie di calcolatrici da tavolo.Storia
Il capo del dipartimento di “Application Research”, Ted Hoff, dopo aver esaminato l’architettura Busicom, inizialmente ripartita su sette chip, di cui 3 erano dedicati a fare la funzione di un CPU specializzato, ebbe l’idea di semplificarla in soli quattro chip, implementando la CPU in un unico chip. La proposta di Hoff, consistente in un’architettura a blocchi ed un set di istruzioni formulate con l’aiuto del suo assistente Stan Mazor, dopo un vivace dibattito con gli ingegneri della Busicom, venne infine da loro accettata e il gruppo rientrò in Giappone in ottobre del 1969. Ted Hoff a questo punto considerava finito il suo lavoro e il progetto fu trasferito ad un altro dipartimento, il dipartimento MOS di cui era a capo Les Vadasz. Né Hoff né Mazor dettero ulteriori contributi nelle critiche fasi di design e sviluppo del progetto in quanto non erano progettisti di chip e non avrebbero potuto progettare un chip della complessità del 4004.
Il progetto languì per molti mesi accumulando un grande ritardo rispetto ai tempi pattuiti con la Busicom, finché Federico Faggin fu assunto daVadasz alla Intel come capo-progetto e designer dei chip agli inizi di aprile del 1970. Faggin preparò una nuova tabella di marcia che richiedeva l’aiuto di un secondo ingegnere per ridurre il ritardo. La Busicom accettò la nuova tempistica e Shima rimase in California per sei mesi ad aiutare Faggin. Shima era un software e logic designer, e non aveva alcuna esperienza di chip design, però aveva molta voglia di imparare ed affiancò Faggin, per sei mesi, collaborando con lui soprattutto nella delicata fase di controllo dei circuiti e della logica. Tornato in Giappone Shima si occupò poi di sviluppare il software per la calcolatrice, il primo prodotto commerciale che usò il 4004.
Lavorando con grande accanimento Faggin riuscì a completare il progetto con successo nel tempo record di nove mesi. Il 4004 fu completamente funzionale verso la metà di marzo 1971. Faggin in seguito convinse i manager della Intel a introdurre il chip sul mercato anche se il progetto originale era un progetto esclusivo per il cliente Busicom. Nel Novembre 1971 la Intel annunciò al pubblico il 4004.
L’Intel 4004 fu messo in commercio con un package a 16 pin dual in-line il 15 novembre del 1971. Il 4004 fu il primo processore progettato e costruito dalla Intel, che in precedenza aveva costruito solo chip di memoria.
Il 4004 era costituito da circa 2.300 transistor, e fu seguito l’anno successivo dall’8008, formato da 3.300 transistor e dall’Intel 4040.
Il quarto prodotto rilasciato nel mercato dei microprocessori da Intel iniziò la rivoluzione dell’informatica, l’Intel 8080.
Specifiche tecniche
Architettura del processore
Piedinatura del microprocessore
- Massima frequenza di clock di 740 kHz.
(N.B.:Tutti i data sheet dell’Intel 4004, inclusi i primi rilasciati nel novembre del 1971, indicano chiaramente che il periodo minimo di clock è di 1350 nanosecondi, vale a dire una frequenza di clock di 740 kHz. Sfortunatamente molte pagine web (incluso il sito della Intel) riportano una frequenza massima di clock di 108 kHz. Il tempo minimo per il 4004 per eseguire un’istruzione è di 10,8 microsecondi (8 cicli di clock), e si direbbe che qualcuno abbia confuso questo dato con la frequenza di clock. Da allora l’errore si è diffuso ovunque).
- Memorizzazione separata di codice e dati, il 4004 utilizza un singolo bus multiplexato per trasferire:
- Indirizzi a 12 bit
- Istruzioni in word di 8 bit, in uno spazio separato rispetto ai dati
- Dati in word di 4 bit
- Il set di istruzioni comprende 46 istruzioni (di cui 41 a 8 bit e 5 a 16 bit)
- 16 registri a 4 bit
- Alimentazione a 12 Volt.
- Stack per le subroutine con al massimo 3 livelli di annidamento
- Poteva indirizzare fino a 640 Byte di memoria RAM.
Chip di supporto
- 4001: ROM di 256 byte (256 istruzioni a 8 bit), e una porta di I/O incorporata
- 4002: RAM di 40 byte (80 word dati a 4 bit), e una porta di output incorporata di 4 bit; la RAM è organizzata in quattro “registri” di venti word a 4 bit.
- 4003: shift register a 10 bit con output parallelo per l’utilizzo con tastiere, display, stampanti, ecc.
- 4008: latch a 8 bit per l’accesso a chip di memoria standard, con incorporati un chip select a 4 bit e una porta di I/O
- 4009: convertitore da accessi all’area dati e I/O in memoria standard e chip di I/O
Collezionismo
Chip con la protezione metallica rimossa
L’Intel 4004 è uno dei chip più ricercati nell’area del collezionismo. I più preziosi sono i 4004 dorati e bianchi, con visibili le cosiddette “tracce grigie” sulla zona bianca (il package originale). Nel 2004 questi chip sono stati venduti intorno ai € 400 su eBay. Le versioni leggermente meno preziose sono i chip bianchi e dorati senza le tracce grigie, che hanno una quotazione tra i € 200 e i € 250. Altri chip ricercati dai collezionisti sono gli Intel 4040.